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1、1第一章：铸造凝固组织的形成和控制第一章：铸造凝固组织的形成和控制1.1 铸件宏观凝固组织的特征铸件宏观凝固组织的特征1.1.1 特征特征根据液态金属的成份、铸型的性质、浇注及冷却条件，宏观凝固组织一般包括根据液态金属的成份、铸型的性质、浇注及冷却条件，宏观凝固组织一般包括如下三个部分：如下三个部分：表面细晶区，中间柱状晶去，内部等轴晶区表面细晶区，中间柱状晶去，内部等轴晶区。图：图：p97 图图 8-1，b） ，（1）表面细晶区：紧靠铸型型壁的激冷组织，因此也称激冷区；由无规则的细小等表面细晶区：紧靠铸型型壁的激冷组织，因此也称激冷区；由无规则的细小等轴晶组成。轴晶组成。 特点：非常薄，只有
2、几个晶粒厚。特点：非常薄，只有几个晶粒厚。(2) 中间柱状晶区：紧连细晶区；垂青于型壁（散热方向）中间柱状晶区：紧连细晶区；垂青于型壁（散热方向） ；彼此平行排列；断面形；彼此平行排列；断面形状为柱状。状为柱状。特殊情况：全部是柱状晶区，特殊情况：全部是柱状晶区，p97 图图 8-1，a）（3）内部等轴晶区：各相同性；没有方向性；晶粒尺寸远大于表面细晶区。内部等轴晶区：各相同性；没有方向性；晶粒尺寸远大于表面细晶区。特殊情况：全部是等轴晶区：特殊情况：全部是等轴晶区：2表面细晶区的数量非常小，对工件的整体性能影响不大，而柱状晶区和内部等表面细晶区的数量非常小，对工件的整体性能影响不大，而柱状晶
3、区和内部等轴晶区的数量非常大，因此，材料的性能主要取决于这两个相的相对比例。具体的轴晶区的数量非常大，因此，材料的性能主要取决于这两个相的相对比例。具体的影响下面再谈。影响下面再谈。1.1.2 铸件结晶组织对铸件性能的影响：铸件结晶组织对铸件性能的影响：（1）表面细晶区：表面细晶区：特点：晶粒细且没有方向性；性能非常好；非常薄特点：晶粒细且没有方向性；性能非常好；非常薄几个晶粒的厚度几个晶粒的厚度:小于小于1mm。对铸件性能的影响：对于薄壁铸件：如厚度在对铸件性能的影响：对于薄壁铸件：如厚度在 46mm 的铸件，具有一定的意义的铸件，具有一定的意义对于大部分铸件：意义不大，这个厚度所占比例非常
4、小：对于大部分铸件：意义不大，这个厚度所占比例非常小：结论：一般不给与特别重视。对于特别薄的铸件有一定的意义。结论：一般不给与特别重视。对于特别薄的铸件有一定的意义。（2）中间柱状晶区：特点：）中间柱状晶区：特点：a）晶粒长、粗大、晶界面积小、排列位向一致，）晶粒长、粗大、晶界面积小、排列位向一致，b）杂质、非金属夹杂、气体等，一般存在在结晶界面上，）杂质、非金属夹杂、气体等，一般存在在结晶界面上，特别是最后结晶的界面上。特别是最后结晶的界面上。而在柱状晶区，这些杂质主要存在于柱状晶与柱状晶或柱状晶与等轴晶的界面而在柱状晶区，这些杂质主要存在于柱状晶与柱状晶或柱状晶与等轴晶的界面上，上， 形成
5、性能弱面。形成性能弱面。C）进一步的加工，如塑性加工或轧制：在杂质较多的）进一步的加工，如塑性加工或轧制：在杂质较多的结合界面上产生裂纹。结合界面上产生裂纹。性能：有方向性；纵向好，横向差；有性能弱面。性能：有方向性；纵向好，横向差；有性能弱面。结论：一般情况下尽量避免。特殊情况下充分利用。结论：一般情况下尽量避免。特殊情况下充分利用。举例：高锰钢锤头锤柄。工况条件，旋转，打击、破碎。举例：高锰钢锤头锤柄。工况条件，旋转，打击、破碎。高锰钢成分：高锰钢成分：Mn=13，C=1.23高锰钢锤头结构及组织示意图高锰钢锤头结构及组织示意图性能：韧性非常好，同时加工硬化。性能：韧性非常好，同时加工硬化
6、。实际生产中遇到的问题：但是浇注出来的铸件，拿锤子一砸就实际生产中遇到的问题：但是浇注出来的铸件，拿锤子一砸就断。现场的工人打电话给我说，我不相信，不可能，断。现场的工人打电话给我说，我不相信，不可能，我打电话我打电话, 先查化学成分，说成分对，没有问题。先查化学成分，说成分对，没有问题。到现场一看：柱状穿晶。到现场一看：柱状穿晶。但是，对于有些受力方向固定的铸件，如航空发动机叶片，主要受弯曲应力但是，对于有些受力方向固定的铸件，如航空发动机叶片，主要受弯曲应力且应力非常大，同时又要求铸件的壁厚薄，要求尽可能得到有方向性的柱状晶区：且应力非常大，同时又要求铸件的壁厚薄，要求尽可能得到有方向性的
7、柱状晶区：采用定向凝固技术，控制散热方向，获得全部单向排列的柱状晶组织，提高铸件的采用定向凝固技术，控制散热方向，获得全部单向排列的柱状晶组织，提高铸件的4性能和可靠性。性能和可靠性。单向结晶技术（定向凝固技术）：使整个铸件都获得单向的柱状晶组织。单向结晶技术（定向凝固技术）：使整个铸件都获得单向的柱状晶组织。把铸型逐渐从加热器中移出（或加热器上移）就可以加强已凝固部分的散热条把铸型逐渐从加热器中移出（或加热器上移）就可以加强已凝固部分的散热条件。为使先在结晶器上生成一些晶体及使界面上热交换比较稳定，浇注后先在加热件。为使先在结晶器上生成一些晶体及使界面上热交换比较稳定，浇注后先在加热器内停留
8、数分钟，然后铸型以预定的速度从挡板中移出，并使凝固界面保持在挡板器内停留数分钟，然后铸型以预定的速度从挡板中移出，并使凝固界面保持在挡板附近。挡板的作用是减少加热器内热损失，使之维持较均匀的温度场，并减少加热附近。挡板的作用是减少加热器内热损失，使之维持较均匀的温度场，并减少加热器对已凝固部分的热辐射。器对已凝固部分的热辐射。5开始时凝固界面开始时凝固界面液、固相线位置）的推进速度比铸型移出速度快，这时铸件液、固相线位置）的推进速度比铸型移出速度快，这时铸件的凝固主要靠结晶器的散热（热传导）的凝固主要靠结晶器的散热（热传导） ，以后，凝固速度逐渐与移动速度一致，凝固，以后，凝固速度逐渐与移动速
9、度一致，凝固层的辐射散热已起主导作用（图层的辐射散热已起主导作用（图 5-19） ，最后由于热传导的大大减弱，光靠辐射散热，最后由于热传导的大大减弱，光靠辐射散热已不能维持界面的恒速推进，速度逐渐减慢。已不能维持界面的恒速推进，速度逐渐减慢。为了进一步加强已凝固区的散热，可使结晶器连同铸型在移出隔板后尽快浸入为了进一步加强已凝固区的散热，可使结晶器连同铸型在移出隔板后尽快浸入低熔点而高沸点的液体金属中（如低熔点而高沸点的液体金属中（如 Sn）利用金属的热容量使凝固去急冷，这时使界）利用金属的热容量使凝固去急冷，这时使界面前的温度梯度可达面前的温度梯度可达 200 度度/cm，且原则上不受凝固层
10、拉长的影响，可得到极长的单，且原则上不受凝固层拉长的影响，可得到极长的单向柱状晶。向柱状晶。6三峡大坝用水轮发电机转轮整片铸造的三峡大坝用水轮发电机转轮整片铸造的“X”型叶片型叶片(每个转轮有每个转轮有 13 或者或者 15 片片叶片叶片)经五轴数控铣床经加工后，与上冠下环组圆、焊接、加工好后重量近经五轴数控铣床经加工后，与上冠下环组圆、焊接、加工好后重量近 450t， ，直径将近十米，大小重量创下世界之最！长度，宽度尺寸非常大，厚度相对于常、直径将近十米，大小重量创下世界之最！长度，宽度尺寸非常大，厚度相对于常、宽方向非常小，所以采用一般的工艺，肯定不行。宽方向非常小，所以采用一般的工艺，肯
11、定不行。三峡左岸电站水轮发电机组：三峡左岸电站水轮发电机组：ALSTOM(法国、瑞士法国、瑞士)、哈尔滨电机厂、哈尔滨电机厂(分包商分包商)供货供货 8 台套台套 VGS(德国德国 VOITH-加拿大加拿大 GE-德国德国 SIEMENS)、东方电机厂、东方电机厂(分包商分包商)6台套。台套。定向凝固，如果有时间，下面再谈。定向凝固，如果有时间，下面再谈。如果有兴趣，可以上网看一下这篇文章：如果有兴趣，可以上网看一下这篇文章：一种美制航空涡轮叶片的选材和铸造工艺特点一种美制航空涡轮叶片的选材和铸造工艺特点(3)内部等轴晶区内部等轴晶区:特点：晶粒比较粗大，晶界面积大，存在成分偏析。晶粒位向各不
12、相同，特点：晶粒比较粗大，晶界面积大，存在成分偏析。晶粒位向各不相同，性能：没有方向性。性能：没有方向性。到此为止，我们已经讲了在凝固过程中铸件中宏观组织的变化，将来在以后专业到此为止，我们已经讲了在凝固过程中铸件中宏观组织的变化，将来在以后专业课的讲解过程中，要用到这些知识，有些东西可能还要进一步讲解。课的讲解过程中，要用到这些知识，有些东西可能还要进一步讲解。7晶粒粗大：内部等轴晶发达，显微缩松较多，凝固组织不致密，性能较差；晶粒粗大：内部等轴晶发达，显微缩松较多，凝固组织不致密，性能较差；铸造成型的目的，得到尽可能细小的晶粒。铸造成型的目的，得到尽可能细小的晶粒。晶粒细小之后：杂质元素、
13、非金属夹杂、显微缩松等分布非常分散，对性能影响晶粒细小之后：杂质元素、非金属夹杂、显微缩松等分布非常分散，对性能影响有限，铸件机械性能好。有限，铸件机械性能好。怎样才能得到晶粒非常细小的晶粒呢？怎样才能得到晶粒非常细小的晶粒呢？下面的内容再介绍！下面的内容再介绍！1.3 铸件宏观凝固组织形成机理铸件宏观凝固组织形成机理在第一堂课的时候，咱们曾经讲过，铸件的宏观凝固组织有三部分组成：在第一堂课的时候，咱们曾经讲过，铸件的宏观凝固组织有三部分组成：现在，通过前面的讲解，咱们可以非常容易的来分析这三个组织形成的原理现在，通过前面的讲解，咱们可以非常容易的来分析这三个组织形成的原理一、表面细晶区形成机
14、理：一、表面细晶区形成机理：金属液浇入到铸型型腔中，铸型的温度非常低金属液浇入到铸型型腔中，铸型的温度非常低对刚浇入的金属液产生强烈的激对刚浇入的金属液产生强烈的激冷作用冷作用 型壁附近的金属液中形成非常高的过冷度型壁附近的金属液中形成非常高的过冷度短时间内部产生大量的晶短时间内部产生大量的晶核核晶核快速长大并相互接触晶核快速长大并相互接触最终形成细等轴晶区。最终形成细等轴晶区。 另一方面：由于靠近型壁，液体金属与固体金属以及与型壁之间存在溶质交流，另一方面：由于靠近型壁，液体金属与固体金属以及与型壁之间存在溶质交流，固体表面不可避免的存在有一定的杂质，这些杂质能够进入到液体中，从而作为异固体
15、表面不可避免的存在有一定的杂质，这些杂质能够进入到液体中，从而作为异8质核心，大大增加了液体内晶核的数量，质核心，大大增加了液体内晶核的数量，晶核数量：多晶核数量：多生长速度：快生长速度：快从而有助于形成细等轴晶从而有助于形成细等轴晶。二、中间柱状晶区的形成机理二、中间柱状晶区的形成机理柱状晶是在表面细晶粒区的基础上成长壮大起来的。柱状晶是在表面细晶粒区的基础上成长壮大起来的。形成表面细晶粒区后，凝固的固体壳向外传热形成表面细晶粒区后，凝固的固体壳向外传热垂直于型壁方向上散热速度垂直于型壁方向上散热速度非常快非常快 温度梯度最大温度梯度最大晶粒在这个方向上以树枝晶方式快速生长晶粒在这个方向上以
16、树枝晶方式快速生长树枝晶主树枝晶主干与型壁垂直干与型壁垂直主干快速生长，树枝晶枝晶由于与传热方向不一致，因此生长速主干快速生长，树枝晶枝晶由于与传热方向不一致，因此生长速度大大降低度大大降低直至最后完全消失直至最后完全消失最后形成互相平行垂直于型壁的柱状晶体。最后形成互相平行垂直于型壁的柱状晶体。9上一堂课已经介绍过：晶体的生长速度与温度梯度，也就是与散热的速度成正比，上一堂课已经介绍过：晶体的生长速度与温度梯度，也就是与散热的速度成正比，因此，枝晶主干的择优生长就很容易进行解释。因此，枝晶主干的择优生长就很容易进行解释。R= LQQLS LGGLLSS 树枝晶：择优生长，枝晶在晶粒长大这个过程中逐渐被淘汰，主干的方向性越树枝晶：择优生长，枝晶在晶粒长大这个过程中逐渐被淘汰，主干的方向性越来越强，尺寸越来越大。来越强，尺寸越来越大。这个现象非常容易理解：有一句话：物竞天择，适者生存。树枝晶的主干在型这个现象非常容易理解：有一句话：物竞天择，适者生存。树枝晶的主干在型壁
